1.1.2. Что такое вакуум

Для того чтобы лучше почувствовать, что такое вакуум, оценим, какой степени разрежение воздуха необходимо полу­чить в кинескопе, чтобы электроны благополучно добирались от своего источника (катода) до поверхности экрана. Пусть пучку электронов надо преодолеть расстояние 0,3 м, и мы хотим, чтобы при этом терялось не более 1/30 доли всех электро­нов. Двигаясь в газе, электроны сталкиваются с моле­кулами, отклоняясь от заданного направления. Пусть в газ влетает электрон. Сколько он пролетит, не столкнувшись ни с одной молекулой? Это неизвестно: он может столкнуться сразу же, а может быть, ему «повезет» и он долго будет лететь свободно. Если в среднем электрон пролетает без столк­новений при данном давлении газа расстояние L,то 1/30 доля всех электронов «выйдет из игры» на 1/30 этого расстояния. Для того чтобы 1/30 доля всех электронов испытывала столк­новения, пройдя не менее 30 см, надо обеспечить каждому электрону длину свободного пробега 10 м. При какой же концентрации молекул L — 10 м? Предположим, что мы «сидим на электроне» и смотрим на газ изнутри. Если считать, что молекулы окружающего нас газа — шарики с диаметром Д то с ростом толщины газовой оболочки вокруг нас все большая часть «небосвода» будет покрываться кружками (так мы будем видеть шарики-молекулы). При толщине слоя Lx х 1/nD²(n — концентрация, или число молекул в единице объема) «небосвод» закроется почти весь. Эта толщина и будет средняя длина свободного пробега*). Полагая D= 4- 10^-10 м, получим, что L= 10 м достигается при и = 6 -10¹⁷ м^-3. Какому вакууму соответствует эта концентрация?

Вакуум характеризуют давлением газа. Давление — это отно­шение нормальной силы к площади, на которую эта сила действует. Единица силы — 1 ньютон (Н), площади — 1 метр квадратный (м²), поэтому единица давления — 1 Н/м². Называет­ся эта единица 1 паскаль (Па). Кроме единицы 1 Па, названной по имени французского физика, математика и философа Б. Паска­ля, в технике часто применяется другая единица — 1 Тор, названная по имени итальянского физика и математика Э. Торричелли (ученика Г. Галилея) и равная давлению столби­ка ртути высотой 1 мм. По определению 1 Тор = 1 мм рт. ст. Легко подсчитать, что 1 Тор = 133 Па.

Почему единицы давления названы именами этих уче­ных? Э. Торричелли изобрел ртутный барометр и объяснил принцип его действия. Именно на основе ртутного барометра были созданы первые приборы для измерения вакуума (вакуум-' метры), верой и правдой служившие людям до середины нашего века, чтобы затем уступить место более совершенным при­борам. Б. Паскаль доказал существование атмосферного давле­ния, продемонстрировав его зависимость от высоты — он срав­нил показания ртутного барометра у подножия горы и на вершине. Он же первый измерил ртутным барометром раз­режение, создаваемое вакуумным насосом.

Но вернемся к нашему вопросу: какому вакууму соответ­ствует концентрация и = 6-10¹⁷ м^-3? При давлении 1 атм = = 10⁵ Па в объеме 22,4 л любого газа содержится 6-10²³ мо­лекул (закон Авогадро), что соответствует концентрации и = 3-10²⁵ м^-3. Отсюда легко подсчитать, что концентрация молекул и = 6 -10¹⁷ м^-3 достигается в газовой среде, давление в которой около 2 ■ 10 ^-3 Па, или 2 • 10^-5 Тор. Именно при таком вакууме из каждых 100 электронов, вылетевших с ка­тода, в среднем 97 будут благополучно добираться до по­верхности экрана, давая нам возможность видеть изображение.